空间重粒子入射屏蔽材料的蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境中银河宇宙射线重离子的屏蔽防护问题,使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟330 MeV/n ~(12)C粒子入射铝、聚乙烯、水、液态氢4种屏蔽材料,分析了~(12)C粒子在4种屏蔽材料内的深度剂量分布;在Geant4中建立MIRD人体模型,分析了~(12)C粒子入射4种屏蔽材料后在人体睾丸器官内的吸收剂量;对每种次级粒子在器官内的吸收剂量进行比对,分析了~(12)C粒子入射PE材料产生的次级质子和次级中子能谱。结果表明:330 MeV/n ~(12)C粒子在液态氢中的入射深度为9.66 g/cm~2,在Al中的入射深度为液态氢中入射深度的2.63倍,~(12)C粒子入射5 g/cm~2Al屏蔽材料后在器官内的吸收剂量为2.98×10~(-14 ) Gy/Ion,在液态氢屏蔽后器官内的吸收剂量为2.29×10~(-14 ) Gy/Ion,与Al屏蔽相比吸收剂量降低23.2%。     

可穿戴太阳质子应急辐射防护服的仿真设计

针对载人月球探测任务中偶发太阳质子事件对航天员造成的突出辐射剂量危害与防护问题,采用蒙特卡洛方法仿真研究了常用屏蔽材料在舱内与舱外航天服应用中的防护效能,分析了不同高密度聚乙烯和氮化硼配比组成下单层富氢复合材料的屏蔽效果,并结合NASA航天服特征参数仿真分析了聚乙烯材料对航天服不同部位的屏蔽效率.结果表明:在相同质量密...     

月壤对太阳粒子事件防护性能研究

针对载人登月活动中航天员可能遭遇太阳粒子事件,研究了月壤作为防护材料的屏蔽性能。选取了1956和1989年2个典型的太阳粒子事件,计算了在屏蔽不同质子通量的情况下月壤所需的质量厚度,与铝和水进行了比较,并计算了屏蔽后的皮肤剂量;进一步利用蒙特卡洛方法计算了不同截止能量对应质子被屏蔽后的中子和次级质子产额,对质量厚度和次级粒子产额的关系进行了讨论。结果表明:13.43 g/cm~2的月壤可以阻挡1956年和1989年太阳粒子事件中99%的质子,此时皮肤剂量已在剂量限值内;在屏蔽相同数量的质子时,月壤所需的质量厚度小于铝,但大于水;月壤屏蔽后产生的中子产额小于铝。从工程实现的角度考虑,月壤可实现对太阳粒子事件的防护。     

强磁对空间带电粒子环境影响研究

为避免空间带电粒子在强磁作用下发生偏转,造成局部区域内粒子通量增加,导致卫星设备损坏的情况,针对太空中辐射带、太阳耀斑以及宇宙射线中的典型粒子能谱特征和在强磁作用下的运动特性开展研究。建立数学模型,以典型卫星重要单机设备布局位置作为测试区,对粒子通量变化率进行仿真。仿真结果表明:卫星强磁场环境对穿透本体的质子通量几乎无影响,对低能段电子产生较为显著影响,可能导致部分单机设备区域电子通量增加,需相应采取屏蔽防护以及静电放电防护措施,为整星电磁防护设计提供依据。     

不同屏蔽材料对空间100 MeV质子防护效果分析

为了研究地球空间辐射环境中高能质子的屏蔽问题,使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟了100 MeV质子入射相同面密度的Al、PE、水三种屏蔽材料,通过分析射线穿过屏蔽材料后在水模体中的深度剂量分布、屏蔽材料内的能量沉积、屏蔽材料产生的次级粒子能谱,对不同面密度下三种材料的质子屏蔽效果进行了对比分析。结果表明:Al、PE、水三种屏蔽材料中,使用PE屏蔽材料比Al屏蔽材料节省27.29%的重量即可实现对100 MeV质子的有效屏蔽,水屏蔽材料比Al材料节省22.46%的屏蔽材料重量;面密度为6.48 g/cm~2PE材料对100 MeV质子的屏蔽能力比同等面密度下Al材料增加59.23%;等效Al厚度为27 mm时,PE屏蔽比Al屏蔽能力增加达到最大值82.96%。     

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。     

载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm~2。     

树脂基导电纳米复合材料电磁屏蔽性能的研究进展

随着5G时代的来临,电磁污染问题日益严重。电磁屏蔽是解决电磁污染的有效方法,已成为人们关注的热点。导电纳米粒子具有优异的导电性及其独特物理特性,其树脂基复合材料可作为轻质高电磁屏蔽效能的电磁屏蔽材料。本文主要介绍了含有导电一维纳米粒子（碳纳米管、银纳米线）和二维纳米粒子（石墨烯、MXenes）的树脂基复合材料在电磁屏蔽性能方面的研究进展,进一步对其发展趋势进行了展望。     

功能型复合材料在深空探测任务中的应用研究进展

分析了深空航天器面临的复杂空间环境以及对航天用功能型复合材料的需求,系统综述了耐高低温、抗宇宙射线、电磁屏蔽等深空探测环境用功能型复合材料的研究进展,最后,展望了功能型复合材料在深空探测领域中的潜在应用。     

复合材料对电子辐照屏蔽有效性的蒙特卡罗计算研究

以含铅增韧双马来酰亚胺为基体,以高Z、低Z金属粉末为填料,制备了抗辐射复合材料,采用蒙特卡罗方法对复合材料对电子辐照屏蔽有效性进行了模拟计算,并与金属W、Al进行了比较。结果表明,Al、Ta及复合材料的实验值与采用采用蒙特卡罗粒子输运方法模拟计算的结果符合性较好;W及复合材料的防辐射性能优良,而Al的防辐射性能较差;复合材料可通过添加低Z组分进行性能设计,提高对韧至辐射的防护能力,且可以减重,以期为采用复合材料对集成电路进行封装提供数据。     

简讯

先进复合材料用导电材料和工艺技术研究课题通过鉴定　　日前 ,由中国航空工业制造工程研究所承担的“先进复合材料用导电材料和工艺技术”课题通过了中国航空工业第一集团公司组织的技术鉴定。该课题研究的镀镍碳纤维、ＱＹ8911导电树脂和模具喷铝固化转移技术是解决飞机复合材料结构电磁兼容和雷电防护的有效途径之一。其中镀镍碳纤维、ＱＹ8911导电树脂复合材料既可满足飞机复合材料结构电磁兼容和Ｄ +Ｂ +Ｃ雷击防护的要求 ,又可作为功能材料参与结构承载 ,实现结构 /电磁兼容功能一体化(屏蔽效果 >2ＧｄＢ) ;模具喷铝固化转移工艺技术…     

空间重离子在水模体中剂量深度分布的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法模拟计算了56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器中水模体的总剂量深度分布以及次级粒子剂量深度分布,统计了次级中子在水模体中的通量深度分布。计算结果表明:56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器在水模体中产生较完整的布拉格曲线,并且次级核碎片对总剂量的贡献达到了58%,其次是初始入射的铁离子以及电子和质子,其他的粒子对总剂量贡献比例较小,可忽略不计。次级中子通量在布拉格峰值附近达到最大值。     

航天器空间辐射防护材料与防护结构

电子、质子、重离子、光子等空间辐射环境可在航天器材料或元器件中产生单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、位移损伤效应、内带电效应等,因此,需要对航天器进行空间辐射防护。本文首先介绍空间辐射防护原理和防护有效性,进而从材料、分系统(或部组件)、航天器3个不同维度,对质量屏蔽防护材料、静电防护材料、抗辐射功能材料、航天器局部辐射防护结构和整星辐射防护结构进行了探讨,最后对未来发展的方向进行了讨论。     

超高速碰撞碎片散布数值分析

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对低轨卫星与某空间物体的超高速碰撞问题进行了数值模拟。通过确立航天器轨道高低判定准则及判定方法,分析了碰撞角度、碰撞速度对碰撞碎片散布的影响情况。仿真结果表明,低轨卫星与空间物体碰撞产生的大部分空间碎片所处轨道高度位于原卫星轨道周围;碰撞碎片的散布情况与碰撞方式密切相关,相比于上升式碰撞,下压式碰撞产生的下降碎片个数较多,上升碎片个数较少;低轨卫星与空间物体碰撞产生的空间碎片总数与碰撞相对速度密切相关,碰撞相对速度越大,碎片数量越多;随着碰撞相对速度的增大,上升碎片、下降碎片及双曲碎片的个数逐渐增加;在不改变碰撞总动量数量级的条件下,改变空间物体的速度大小对空间碎片散布的影响并不明显。     

缠绕复合材料壳体低速冲击损伤试验与仿真研究

针对缠绕复合材料壳体的低速冲击问题,采用试验和仿真相结合的方法研究了不同冲击能量下复合材料的冲击响应规律和损伤模式。基于连续介质损伤力学方法建立了考虑材料强度威布尔分布的复合材料面内损伤模型,并将模型通过用户材料子程序VUMAT嵌入ABAQUS中模拟复合材料面内损伤;同时采用cohesive单元模拟复合材料层间分层损伤。研究结果表明:在1.5k N冲击力附近缠绕复合材料产生初始损伤,初始损伤出现后,冲击力上升速率降低,并在最大冲击力附近处出现明显震荡;当冲击力达到3.5k N左右时出现纤维破坏,冲击力不再随冲击能量增加而增加。仿真结果与试验结果较为一致,表明该模型适用于研究缠绕复合材料壳体的低速冲击问题。     

激光功率密度对纳秒激光烧蚀冲量耦合影响的数值模拟

为研究激光功率密度对纳秒激光烧蚀冲量耦合影响,建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型。以空间碎片常见材料Al为例,用建立的物理模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀产生的冲量随时间变化情况,数值结果和已有的实验数据符合较好。数值计算表明:辐照的激光功率密度越高,发生等离子体屏蔽时间越早,等离子体屏蔽越明显,能量利用率越低;随着激光功率密度的逐渐增大,获得的冲量逐渐趋于稳定,冲量耦合系数降低,数值计算结果与Phipps的最优能量耦合规律一致。      

载人航天废弃物的空间辐射防护性能研究

针对载人深空探索中的空间辐射,特别是大规模太阳粒子事件对航天员的威胁,需要在载人航天器内建立空间辐射应急防护区,为航天员在遭遇太阳粒子事件的时候提供必要的保护。考虑热融化压实技术在降低废弃物的空间占用率、高温杀菌和回收水分的同时能在不增加额外载荷的情况下为航天员空间辐射应急防护区的建设提供材料,在载人航天废弃物模型的基础上,利用Monte Carlo方法对其热融化压实产物的质子防护能力进行了计算,结合太阳粒子事件能谱和组织器官剂量计算转换因子,对不同屏蔽条件下太阳粒子事件造成航天员组织器官剂量的变化进行了研究。结果表明,在10 g/cm~2屏蔽厚度下,皮肤、脑、心脏以及红骨髓的辐射剂量都大大降低,均在剂量限值之下;除了需要对眼采取额外的局部防护措施以外,5 g/cm~2铝屏蔽+5 g/cm~2载人航天废弃物热融化压实产物基本上可以满足对太阳粒子事件的防护需求。     

大型民机复合材料整体油箱雷电、静电防护设计

复合材料的电性能相比铝、钛合金之类的金属材料差别很大,且是各向异性的。其有效电导率比金属材料小得多,用复合材料制成大型飞机蒙皮后,将大大降低蒙皮隔离外部电磁场的屏蔽效能和传导电荷的能力。复合材料整体油箱在雷电、静电防护及电荷传导以及油箱内设备电磁防护设计方面不同于金属材料,有其特殊的设计要求和方案。     

低地球轨道环境对材料的影响

综述了原子氧、空间辐射、热循环、高真空、微流星和空间碎片等低地球轨道环境因素对材料性能的影响；从地面模拟实验、材料研制与防护涂层的开发等方面提出了急需解决的问题，为空间站、人造卫星等低轨道航天器用材料的选择与研制提供了依据。     

三维石墨烯网络复合材料的电磁波屏蔽性能研究

通过溶剂热法与电泳法制备了以碳纳米管膜为基底的三维石墨烯/碳纳米管/四氧化三铁膜状复合材料,然后以环氧树脂为基体制备出多层电磁波屏蔽复合材料。分析了电场强度和沉积时间对氧化石墨烯层结构形貌、复合材料电导率和屏蔽效能的影响。研究结果表明:当复合材料为4层时,厚度仅为1.4mm,在X波段频率范围内的最高电磁屏蔽效能为49.7d B,比屏蔽效能高达35.5d B/mm,超过目前大多数碳基复合材料,抗拉强度为53.2MPa,是兼具高屏蔽性能和力学性能的石墨烯电磁波屏蔽材料。